王 瀟, 謝麗坤,2, 武慧斌, 鄒洪濤, 宋正國,*

1 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所生態(tài)毒理與環(huán)境修復(fù)研究中心, 天津 300191 2 天津師范大學(xué), 天津 300387 3 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 沈陽 110866

銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對秈稻稻米品質(zhì)的影響

王 瀟1, 謝麗坤1,2, 武慧斌1, 鄒洪濤3, 宋正國1,*

1 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所生態(tài)毒理與環(huán)境修復(fù)研究中心, 天津 300191 2 天津師范大學(xué), 天津 300387 3 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 沈陽 110866

采用盆栽試驗(yàn)，利用開頂式氣室(Open Top Chamber，OTC)研究了5個(gè)秈稻品種在高、低銅鎘復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高對水稻生長及吸收Cu、Cd和礦質(zhì)元素Fe、Zn、Ca、Mn的影響，并對稻米中Cd的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，了解Cd污染對人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：CO2濃度升高，顯著降低了低復(fù)合污染土壤上稻米的生物量，而顯著增加了高復(fù)合污染土壤上的稻米生物量。CO2濃度升高降低了低污染土壤上稻米Cu含量，降低幅度為4.75%—24.49%，增加了高污染土壤上稻米Cu含量，增加幅度為6.60%—40.37%；而稻米Cu的總吸收量在低、高復(fù)合污染土壤上均是降低的。低、高復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高顯著降低了三香優(yōu)974稻米的Cd含量和吸收量；增加了其他4個(gè)品種稻米Cd含量和吸收量。CO2濃度升高對不同品種稻米中Fe、Zn、Ca、Mn含量影響存在顯著差異。CO2濃度正常、升高條件下，兩種污染土壤上金優(yōu)463稻米中Cd含量超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(Cd≤0.2 mg/kg)，三香優(yōu)974在正常CO2濃度條件下其稻米Cd含量超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。在低、高復(fù)合污染土壤上，金優(yōu)463和三香優(yōu)974稻米中Cd的THQ值均大于1，說明對人體暴露接觸的潛在風(fēng)險(xiǎn)比較嚴(yán)重。CO2濃度升高顯著降低了三香優(yōu)974稻米中Cd對人體暴露接觸的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而對其他4個(gè)水稻品種稻米Cd的THQ值影響不明顯。

CO2濃度升高; 污染土壤; 鎘; 秈稻; 標(biāo)靶危害系數(shù)

目前，我國農(nóng)田土壤中重金屬污染狀況呈現(xiàn)加劇趨勢，主要由Cd、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn等重金屬引起[1-2]。重金屬在農(nóng)田土壤中的不斷積聚，會(huì)阻礙農(nóng)作物生長，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品(如稻米)中重金屬含量超標(biāo)，降低其品質(zhì)與安全性，直接影響到消費(fèi)者的健康以及稻米的生產(chǎn)銷售[3-4]。Cu和Cd作為土壤中的2種重要的金屬元素，對水稻的生長發(fā)育的影響已不容忽視。有研究報(bào)道，Cu、Cd對水稻生長發(fā)育的各方面都有影響，尤其是抑制水稻的光合作用而導(dǎo)致生物量的下降[5]。也有研究表明，過量Cu可能通過拮抗或協(xié)同作用，引起植物體內(nèi)其他元素的平衡失調(diào)[6]；Lidon和Henriques[7]研究指出，過量Cu會(huì)抑制植物對Mn、Fe、Ca等的吸收，進(jìn)而影響其安全品質(zhì)。Cd脅迫對水稻葉片礦質(zhì)元素積累也有顯著的抑制作用[8]，可通過影響細(xì)胞質(zhì)膜的透性而影響一些營養(yǎng)元素的吸收和積累[9]。

大氣環(huán)境是作物生長的重要環(huán)境因素之一，CO2濃度升高會(huì)對種植業(yè)特別是農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[10]。據(jù)預(yù)測，到本世紀(jì)末CO2濃度可達(dá)到800 μL/L[11]。有研究報(bào)道，大氣中CO2濃度升高能夠強(qiáng)化植物對重金屬等污染物的吸收甚至誘導(dǎo)植物超積累某些重金屬[12]。但由于陽離子之間的在土壤、植物根系表面的競爭，使得植物吸收Cu、Cd的相對有效性可能存在不同[13- 15]。Tang等[12]的研究表明，CO2濃度升高對植物抵抗Cu脅迫環(huán)境有顯著的促進(jìn)作用，而且顯著促進(jìn)了植物的地上部生物量，還可誘導(dǎo)植物超積累Cu。也有研究指出，CO2濃度升高降低了稻米中的Cu含量[16- 19]；Guo等[20-21]研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高會(huì)降低水稻籽粒的Cu含量，但稻米中Cd含量根據(jù)品種有升高有降低。李中陽等[22]發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高會(huì)導(dǎo)致部分水稻品種高量吸收重金屬，這將來會(huì)成為危害人體健康的一個(gè)潛在隱患，Cd所帶來的隱患比Cu嚴(yán)重。此外，CO2作為植物光合作用的必要原料，其濃度的升高必然會(huì)對植物光合速率、生理代謝等因素產(chǎn)生影響，從而影響作物產(chǎn)量與生物量[23-24]，也勢必會(huì)對稻米吸收營養(yǎng)元素產(chǎn)生影響。雖有研究報(bào)道，大氣CO2濃度升高會(huì)增加水稻產(chǎn)量，但并不意味著稻米對營養(yǎng)元素吸收會(huì)增多，且目前關(guān)于CO2濃度升高對水稻籽粒礦質(zhì)元素的影響報(bào)道結(jié)果并不一致。吳鍵[25]研究表明，大氣CO2濃度升高顯著影響了水稻籽粒中各營養(yǎng)元素的含量，其中Cu的含量隨大氣CO2濃度升高而呈逐步降低的趨勢，Zn、Mn含量呈增長趨勢。龐靜[26]研究表明CO2濃度升高對稻米中Ca、Cu、Zn、Mn、Fe含量無顯著影響。Lieffering[27]研究表明，CO2濃度升高增加了Zn和Mn的含量，其他元素沒有顯著變化。Manderscheid[28]和Fangmeier等[29]指出，大氣中CO2濃度增高會(huì)降低農(nóng)作物籽粒如小麥、稻米中某些營養(yǎng)元素的含量。Seneweera和Conroy[17]采用化學(xué)計(jì)量法證實(shí)了高濃度CO2條件下水稻籽粒中的Fe、Zn含量均降低。

水稻作為我國的主要糧食作物之一，其品質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)乎到我國居民的身體健康。目前，重金屬污染農(nóng)田CO2濃度升高影響水稻吸收或超累積重金屬的報(bào)道較少，對其安全評(píng)價(jià)的研究也不多見。因此，研究CO2濃度的升高對其生長發(fā)育及稻米品質(zhì)的影響勢在必行。本文通過在2種不同污染程度的銅鎘復(fù)合污染土壤上，研究CO2濃度升高條件下5種秈稻稻米中Cu、Cd、Fe、Zn、Ca、Mn等含量的變化，分析不同水稻品種間的重金屬含量差異，并對稻米的衛(wèi)生安全進(jìn)行評(píng)估，了解重金屬污染對人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以期為未來CO2濃度升高條件下重金屬污染土壤稻米的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗(yàn)供試土壤為不同污染程度的銅鎘復(fù)合污染土壤，采自江蘇省南京市九華山(N 32°04.621′；E 119°05.514′)0—20 cm農(nóng)田耕層。該土壤類型為黃棕壤，污染為銅礦區(qū)污水灌溉所致。其低、高復(fù)合污染土壤中Cu 和 Cd 含量接近或超出了農(nóng)田土壤中重金屬含量的國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[30](100 mg Cu/kg和0.6 mg Cd/kg，pH值≥7.5)。土壤自然風(fēng)干后過3 mm不銹鋼篩備用。土壤基本性質(zhì)見表1，具體測定方法參見農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測實(shí)用手冊[30]和土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[31]。

表1 污染土壤理化性質(zhì)

1.2 供試作物

供試水稻品種為我國南方種植面積較廣的5種秈稻，分別為1#金優(yōu)463、2#三香優(yōu)974的2種雜交稻、3#中嘉早17、4#湘早6號(hào)、5#湘早42等3種常規(guī)稻。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。2種不同污染程度的銅鎘復(fù)合污染土壤，2種CO2濃度((380±50) μmol/mol和(760±50) μmol/mol)，完全組合，共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。分別標(biāo)記為AL(低污染土壤正常CO2)、AH(高污染土壤正常CO2)、EL(低污染土壤CO2濃度升高)、EH(高污染土壤CO2濃度升高)。

采用土培盆栽試驗(yàn)。塑料桶尺寸(高×直徑)為26 cm×22 cm，每桶裝7.5 kg風(fēng)干土，栽種3株水稻。幼苗移栽前，每桶土中添加底肥分別為N 0.20 g/kg，P 0.10 g/kg，K 0.20 g/kg(試驗(yàn)所施用的N、P、K肥料種類分別為CO(NH)2、KH2PO4、K2SO4，購自天津市贏達(dá)稀貴化學(xué)試劑廠，試劑純度≥99.0%)，施肥后平衡2周。試驗(yàn)于2012年4—9月在農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所的6個(gè)OTC裝置中進(jìn)行。3個(gè)OTC通CO2氣體，控制濃度為(760±50) μmol/mol，以3個(gè)OTC不通CO2氣體(正常大氣CO2濃度(380±50) μmol/mol)作為對照。CO2的通氣時(shí)間為每天8:30—18:30，共10 h。

水稻完全成熟后采收稻穗，經(jīng)自然風(fēng)干后進(jìn)行手工脫粒，然后用礱谷機(jī)(JGMJ8098，上海嘉定里糧油儀器有限公司)脫殼后磨碎備用。稱取磨碎后的稻米0.2—0.3 g到100 mL高型燒杯中，加入8 mL HNO3和2 mL H2O2，靜置過夜后于電熱板上進(jìn)行消煮。消煮液定容至50 mL容量瓶，過濾至50 mL塑料瓶中備用。用ICP-MS(Agilent 7500)測其Cu、Cd、Fe、Zn的含量。同時(shí)測定標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制與結(jié)果校正。

1.4 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

為了評(píng)估人群食用CO2濃度升高后生長于重金屬污染土壤上的稻米所造成的健康風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)Zheng等人[32]提出的方法及美國整合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)(Integrated Risk Information System, IRIS)[33]，將標(biāo)靶危害系數(shù)(Target hazard quotients，THQ)運(yùn)用到本研究中。標(biāo)靶危害系數(shù)是一種用于人體通過食物攝取重金屬風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法，其公式如下：

式中，C為稻米中重金屬含量(μg/kg)，Con為每人每日食用的稻米量(g 人-1d-1)，EF為暴露頻率(365 d/a)，ED為暴露年限(70 a)，Bw為成人的平均體重(65 kg/人)，AT為生命期望值(70 a)，365為轉(zhuǎn)化系數(shù)，RfD為消化食物的比率(μg kg-1d-1)。

潘曉群等人[34]研究報(bào)道，成年人平均每天的稻米食用量為261.1 g 人-1d-1。根據(jù)美國整合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)，Cd的RfD值為1.0 μg kg-1d-1。THQ計(jì)算結(jié)果中，當(dāng)THQ≤1.0時(shí)，則人體負(fù)荷的重金屬對人體健康造成的影響不明顯；當(dāng)10≥THQ>1.0時(shí)，表明對人體健康產(chǎn)生影響的可能性很大；當(dāng)THQ>10時(shí)，表明存在慢性毒性。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2003、SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并利用新復(fù)極差法(Duncan法)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0. 05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米生物量的影響在低、高銅鎘復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高對5種秈稻稻米干物重影響差異顯著(P<0.05)(圖1)。在正常CO2濃度下，低、高銅鎘復(fù)合污染土壤上，5種秈稻稻米干物重范圍分別為34.91—66.35 g/pot、38.41—71.27 g/pot，其中均是湘早6號(hào)稻米干物重最低。在低復(fù)合污染土壤上，5種秈稻除湘早6號(hào)外CO2濃度升高均顯著降低了稻米干物重，降低幅度為5.57%—15.56%，湘早6號(hào)顯著增加了16.37%。在高復(fù)合污染土壤上，5種秈稻除三香優(yōu)974外CO2濃度升高均顯著增加了稻米干物重，增加幅度為5.68%—20.47%，三香優(yōu)974顯著降低了6.37%。

圖1 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米干物重的影響 Fig.1 Effects of elevated CO2 on the grain dry weight of rice at Cu and Cd contaminated soil levels1#金優(yōu)463, 2#三香優(yōu)974的2種雜交稻，3#中嘉早17, 4#湘早6號(hào), 5#湘早42等3種常規(guī)稻

2.2 銅鎘污染土壤上，CO2濃度升高對稻米中Cu、Cd含量及吸收量的影響

在低、高銅鎘復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高對5種秈稻稻米中Cu含量及吸收量的影響存在差異(P<0.05)(圖2)。在正常CO2濃度下，低、高銅鎘復(fù)合污染土壤上，5種稻米中Cu含量范圍分別為4.42—5.70 mg/kg、5.10—5.85 mg/kg。在CO2濃度正常、升高條件下，高復(fù)合污染土壤處理相較于低復(fù)合污染土壤處理其5種稻米中Cu含量基本呈現(xiàn)增加的趨勢，增加幅度分別為1.60%—32.37%、32.88%—105.80%；其中均是中嘉早17增加幅度最大。在低復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高降低了稻米中Cu含量，其降低幅度為4.75%—24.49%；而在高復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高均增加了稻米中Cu含量，其增加幅度為6.60%—40.37%，且基本都達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

在正常CO2濃度下，低、高銅鎘復(fù)合污染土壤上，5種稻米中Cu吸收量范圍分別為0.20—0.31 mg/桶、0.22—0.41 mg/桶，其中均是金優(yōu)463最高湘早6號(hào)最低。相較于低復(fù)合污染土壤處理，高復(fù)合污染土壤處理均顯著增加了5種稻米中Cu的吸收總量，在正常CO2濃度和CO2濃度升高條件下增加幅度分別為：5.50%—30.46%、63.14%—185.01%。在低復(fù)合污染土壤上，除湘早6號(hào)稻米Cu吸收量增加8.14%外，其他品種稻米Cu吸收量在CO2濃度升高條件下均有所降低，降低幅度為10.68%—28.65%，其中嘉早17和湘早42達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在高復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高均降低了5種秈稻稻米Cu吸收量，降低幅度為12.46%—62.09%，其中除金優(yōu)463外均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖2 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米中Cu含量及吸收量的影響Fig.2 Effects of elevated CO2 on the grain Cu concentrations and uptake of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

CO2濃度升高對5種秈稻稻米中Cd含量及吸收量的影響存在差異(P<0.05)(圖3)。在正常CO2濃度下，低、高復(fù)合污染土壤上，5種水稻的稻米中Cd含量范圍分別為35.93—306.87 μg/kg、79.04 —383.78 μg/kg。在CO2濃度正常、升高條件下，與低污染土壤處理相比，高污染土壤上稻米中Cd含量除兩種雜交稻在高污染土壤上略有降低外其他均顯著增加(P<0.05)，增加幅度分別為14.77%—177.24%、22.00%—44.63%。在低、高復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高均顯著降低了三香優(yōu)974稻米中Cd含量，其降低幅度分別為43.44%、57.95%；其他4個(gè)水稻品種除金優(yōu)463和湘早6號(hào)稻米Cd含量在高污染土壤上略有降低外，其他在低、高復(fù)合污染土壤上，CO2濃度增加均顯著增加了稻米中Cd含量(P<0.05)，其增加幅度分別為25.42%—103.07%、12.62%—20.05%。

圖3 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米中Cd含量及吸收量的影響Fig.3 Effects of elevated CO2 on the grain Cd concentrations and uptake of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

在正常CO2濃度下，低、高銅鎘復(fù)合污染土壤上，5種稻米中Cd吸收量范圍分別為2.05 —20.36 μg/桶、5.16—27.38 μg/桶。相較于低復(fù)合污染土壤處理，高復(fù)合污染土壤處理均顯著增加了5種稻米中Cd的吸收總量，在正常CO2濃度和CO2濃度升高條件下增加幅度分別為：16.64%—203.98%、20.48%—68.92%。在低復(fù)合污染土壤上，除三香優(yōu)974稻米Cd吸收量顯著降低47.01%外，其他品種稻米Cd吸收量在CO2濃度升高條件下均顯著增加，增加幅度為10.68%—28.65%。在高復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高均降低了2種雜交秈稻稻米Cd吸收量，降低幅度分別為：2.33%、60.56%，其中三香優(yōu)974達(dá)到顯著水平，而CO2濃度升高增加了3種常規(guī)稻稻米Cd吸收量，分別增加33.06%、3.82%、27.71%，其中中嘉早17和湘早42達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

2.3 銅鎘污染土壤上，CO2濃度升高對稻米中營養(yǎng)元素Fe、Zn含量的影響

在銅鎘復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高對5種秈稻稻米中Fe、Zn含量的影響存在明顯差異(P<0.05)(圖4)。正常CO2濃度下，在低、高復(fù)合污染土壤處理上，5種秈稻稻米中Fe含量范圍分別為19.62—31.75 mg/kg、20.01—34.56 mg/kg，其中均是中嘉早17稻米Fe含量最高，湘早42最低。在低、高復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高均降低了兩種雜交稻的稻米Fe含量，且金優(yōu)463達(dá)到顯著水平(P<0.05)，降低幅度分別為：15.93%、22.96%；而三種常規(guī)稻中除湘早6號(hào)在高污染土壤上略有降低外，其他均有增加趨勢，增加幅度分別為：25.44%—43.37%、4.76%—52.98%，且湘早42均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

正常CO2濃度下，5個(gè)秈稻品種在低、高銅鎘復(fù)合污染土壤上的稻米中Zn含量范圍分別為34.86—68.67 mg/kg、31.98—85.92 mg/kg。在低污染土壤上，CO2濃度升高顯著增加了三香優(yōu)974稻米Zn含量(P<0.05)，增加幅度為51.08%，其他4個(gè)品種有升高有降低，但都未達(dá)到顯著水平。在高污染土壤上，CO2濃度升高顯著降低了三香優(yōu)974和中嘉早17的稻米Zn含量(P<0.05)，其降低幅度分別為：27.42%、37.33%；而CO2濃度升高顯著增加了湘早6號(hào)和湘早42的稻米Zn含量(P<0.05)，其增加幅度分別為：91.00%、23.28%。

圖4 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米中Fe、Zn含量的影響Fig.4 Effects of elevated CO2 on the grain Fe and Zn concentrations of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

2.4 銅鎘污染土壤上，CO2濃度升高對稻米中營養(yǎng)元素Ca、Mn含量的影響

在銅鎘復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高對5種秈稻稻米中Ca和Mn的含量影響存在很大的品種差異(P<0.05)(圖5)。正常CO2濃度下，5個(gè)水稻品種在低、高污染土壤處理下的稻米Ca含量范圍分別為：96.61—159.15 mg/kg、104.60—195.76 mg/kg，其中均是三香優(yōu)974稻米中Ca含量最高。CO2濃度升高對稻米中Ca含量的影響品種差異顯著，在低污染土壤上，CO2濃度升高顯著增加了金優(yōu)463和三香優(yōu)974籽粒Ca含量(P<0.05)，分別增加了14.67%、33.03%；而顯著降低了湘早42稻米的Ca含量(P<0.05)，降低幅度為11.13%。在高污染土壤上，CO2濃度升高僅顯著增加了中嘉早17稻米Ca含量(P<0.05)，增加幅度為22.62%。

正常CO2濃度下，5種秈稻在低、高污染土壤處理下的稻米Mn含量范圍分別為：48.25—55.06 mg/kg、37.48—52.94 mg/kg，其中均是金優(yōu)463稻米Mn含量最高。在CO2濃度正常、升高條件下，高污染土壤處理相較于低污染土壤處理其稻米Mn含量均降低，降低幅度分別為：3.84%—23.76%、5.79%—13.35%，其中中嘉早17、湘早6號(hào)和湘早42均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在低污染土壤上，CO2濃度升高均降低了稻米中Mn的含量，降低幅度為：4.59%—12.32%。在高污染土壤上，CO2濃度升高降低了兩種雜交稻稻米Mn含量，降低幅度分別為：12.24%、2.45%，而3種常規(guī)秈稻的稻米Mn含量均有所增加，增加幅度為：2.26%—8.34%。

圖5 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米中Ca、Mn含量的影響Fig.5 Effects of elevated CO2 on the grain Ca and Mn concentrations of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

2.5 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析

根據(jù)標(biāo)靶危害系數(shù)計(jì)算模型可知，5個(gè)秈稻品種生產(chǎn)的稻米進(jìn)入人體Cd暴露接觸的THQ值存在差異(圖6)。在正常CO2濃度條件下，低、高復(fù)合污染土壤上兩種雜交稻稻米中Cd的THQ值均大于1，3種常規(guī)稻品種其稻米Cd的THQ值均小于1，說明金優(yōu)463和三香優(yōu)974稻米中Cd對人體健康存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。在低污染土壤處理下，CO2濃度升高降低了三香優(yōu)974稻米Cd的THQ值，且THQ值小于1，說明CO2濃度升高顯著降低了三香優(yōu)974稻米Cd對人體的潛在風(fēng)險(xiǎn)；其他四個(gè)品種稻米Cd的THQ值均有所增加，但只有金優(yōu)463稻米Cd的THQ值大于1，說明CO2濃度升高增加了金優(yōu)463稻米對人體暴露接觸Cd所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在高污染土壤上，CO2濃度升高降低了兩種雜交稻稻米Cd的THQ值，且使三香優(yōu)974稻米Cd的THQ值降到1以下，顯著降低了人體暴露接觸Cd所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而金優(yōu)463稻米Cd的THQ值仍大于1；CO2濃度升高對3種常規(guī)稻稻米Cd的THQ值影響不明顯。

圖6 銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對稻米中Cd的THQ值影響Fig.6 Effects of elevated CO2 on the grain Cd THQ values of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

3 討論

3.1 不同處理對5種秈稻稻米生物量的影響

有研究結(jié)果表明，重金屬脅迫會(huì)導(dǎo)致水稻生長發(fā)育受阻，可降低水稻的生物產(chǎn)量[35]，Cu、Cd可抑制水稻的光合作用而導(dǎo)致生物量的下降[5]。有研究結(jié)果顯示，CO2濃度升高水稻各個(gè)部分的變化比例非常大[36]，但也有研究認(rèn)為CO2濃度升高能夠促進(jìn)水稻的生長發(fā)育及干物質(zhì)形成，但水稻的產(chǎn)量卻沒有提高[37]。在本試驗(yàn)中，CO2濃度升高顯著降低了低復(fù)合污染土壤上的稻米干物重，而顯著增加了高復(fù)合污染土壤上的稻米干物重。說明銅鎘復(fù)合污染土壤處理及CO2濃度升高的交互作用對水稻稻米生物量的影響存在很大品種差異。

3.2 不同處理對5種秈稻稻米中Cu、Cd含量及吸收量的影響

在CO2濃度升高引起生物量增加的情況下，被水稻稻米吸收的重金屬含量，將會(huì)出現(xiàn)3種情況：稀釋、增加、變化不大。目前作物對Cu和Cd吸收的品種差異受土壤污染程度和CO2濃度升高的影響早有報(bào)道[38- 42]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在低污染土壤上，CO2濃度升高均降低了稻米中Cu含量及吸收量，這與吳鍵[25]、Yang等[18]、Seneweera等[16-17]和Jia等[19]研究結(jié)果一致，而在高污染土壤上，CO2濃度升高均增加了稻米中Cu的含量，但總吸收量卻是有所降低。在兩種污染土壤上，CO2濃度升高均降低了三香優(yōu)974稻米Cd含量及吸收量，而其他4種水稻稻米Cd含量及吸收量基本上均顯著增加。說明陽離子之間的競爭，使得水稻吸收Cu、Cd的相對有效性存在不同[13- 15]，且根據(jù)水稻品種的不同對Cu、Cd的吸收差異也較大。

3.3 不同處理對5種秈稻稻米中礦質(zhì)元素Fe、Zn、Ca、Mn含量的影響

大量文獻(xiàn)報(bào)道，重金屬脅迫與CO2濃度升高均會(huì)對水稻吸收礦質(zhì)元素產(chǎn)生影響。有研究研究指出，過量Cu會(huì)抑制植物對Mn、Fe、Ca等的吸收[7]，Cd脅迫對水稻礦質(zhì)元素積累也有顯著的抑制作用[8]。龐靜[26]研究結(jié)果表明CO2濃度升高對籽粒中Ca、Zn、Mn、Fe含量無顯著影響，而Lieffering[27]研究表明，CO2濃度升高可增加了Zn和Mn的含量，其他元素沒有顯著變化。本試驗(yàn)研究表明，銅鎘復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高對稻米中Fe、Zn、Ca、Mn含量變化的影響品種差異顯著，有升高有降低。在兩種污染土壤上，CO2濃度升高顯著降低了金優(yōu)463稻米Fe含量，顯著增加了湘早42稻米Fe含量，這和龐靜[26]、Seneweera等[17]部分研究結(jié)果一致。在低污染土壤上，CO2濃度升高顯著增加了三香優(yōu)974稻米Zn、Ca含量，顯著降低了湘早42稻米Ca含量，其他品種影響不明顯，這和龐靜[26]、Lieffering[27]和Seneweera[17]部分結(jié)果相一致；CO2濃度升高均降低了5種秈稻稻米中Mn的含量，這與龐靜[26]和Lieffering[27]研究結(jié)果相反。在高污染土壤上，CO2濃度升高顯著降低了三香優(yōu)974和中嘉早17稻米Zn含量，卻顯著增加了湘早6號(hào)和湘早42稻米Zn含量，這和龐靜[19]研究結(jié)果不一致，與Lieffering[27]部分研究結(jié)果一致；CO2濃度升高增加了3種常規(guī)稻稻米中Ca、Mn含量，而兩種雜交稻稻米Ca、Mn有降低趨勢。因此，水稻籽粒對礦質(zhì)元素的吸收在銅鎘復(fù)合污染土壤處理和CO2濃度升高條件下存在很大品種差異。

3.4 不同處理對5種秈稻稻米中Cd安全評(píng)價(jià)分析

參照《農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測實(shí)用手冊》稻米中重金屬含量的允許量標(biāo)準(zhǔn)值Cd≤0.2 mg/kg[30]。本試驗(yàn)中，在正常CO2濃度和CO2濃度升高條件下，低、高復(fù)合污染土壤上金優(yōu)463稻米中Cd含量均超標(biāo)，三香優(yōu)974僅在正常CO2濃度條件下稻米Cd含量超標(biāo)，而在CO2濃度升高條件下其稻米Cd含量未超標(biāo)；其他3個(gè)水稻品種稻米中Cd含量均未超標(biāo)。

THQ 值是一種廣泛應(yīng)用于人體通過食物攝取重金屬風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法[43-44]。本試驗(yàn)中，在正常CO2濃度條件下，低、高復(fù)合污染土壤上5種秈稻中，兩種雜交稻金優(yōu)463和三香優(yōu)974稻米中Cd的THQ值均大于1，說明稻米中Cd含量對人體暴露接觸的潛在風(fēng)險(xiǎn)范圍擴(kuò)大比較嚴(yán)重。在低污染土壤上，CO2濃度升高使三香優(yōu)974稻米Cd的THQ值小于1，明顯降低了其稻米中Cd對人體的潛在風(fēng)險(xiǎn)，其他4個(gè)水稻品種稻米中Cd的THQ值均有所增加，說明CO2濃度升高增加了人體暴露接觸Cd所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在高污染土壤上，CO2濃度升高明顯降低了三香優(yōu)974稻米Cd的THQ值，使人體暴露接觸Cd所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)大大降低；而CO2濃度升高對其他4種水稻稻米中Cd的THQ值影響不明顯。

4 結(jié)論

CO2濃度升高均降低了低污染土壤上的稻米Cu含量及吸收量，增加了高污染土壤上的稻米Cu含量而降低了Cu的吸收量。兩種污染土壤上，CO2濃度升高降低了三香優(yōu)974的稻米Cd含量及吸收量，而增加了其他4種水稻稻米Cd含量及吸收量。在正常CO2濃度和CO2濃度升高條件下，兩種污染土壤上金優(yōu)463稻米中Cd含量均超標(biāo)，三香優(yōu)974僅在正常CO2濃度條件下稻米Cd含量超標(biāo)。

銅鎘復(fù)合污染土壤上，CO2濃度升高對稻米礦質(zhì)元素Fe、Zn、Ca、Mn含量變化的影響表現(xiàn)為顯著增加、顯著降低或無影響，品種差異顯著。

在低、高復(fù)合污染土壤上，金優(yōu)463和三香優(yōu)974稻米中Cd含量對人體暴露接觸的潛在風(fēng)險(xiǎn)范圍擴(kuò)大比較嚴(yán)重。CO2濃度升高顯著降低了三香優(yōu)974稻米中Cd對人體暴露接觸的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對其他4個(gè)水稻品種稻米Cd的THQ值影響不明顯。

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Effects of elevated CO2on indica rice quality in soils combined with Cu and Cd heavy metal

WANG Xiao1, XIE Likun1,2, WU Huibin1, ZOU Hongtao3, SONG Zhengguo1,*

1Argo-environmentalProtectionInstitute,MinistryofAgriculture,Tianjin300191,China2TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China3ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China

CO2concentrations are presently elevated and are expected to continue increasing in the future, resulting in global warming and climate change. Heavy metal pollution is also a serious issue, particularly in copper mining areas. While there have been results published on each of these issues individually, these have been limited to single factors. Consequently, there have been limited data on the comprehensive combined effects of climate change and heavy metal pollution (for example, combined copper and cadmium pollution in soils). This study aimed to investigate the effects of elevated CO2levels on the uptake of Cu and Cd in rice varieties grown in soil contaminated with both of these pollutants. The study also considered concentrations of four mineral elements (Fe, Zn, Ca, and Mn), together with potential hazards of Cd contamination in rice to human health. A pot experiment was conducted in an open top chamber at two CO2concentration levels, i.e., normal level of ambient concentration (380 μmol/mol) and an elevated concentration level (760 μmol/mol). Five different varieties of rice were selected for purposes of this experiment. The results showed a reduction in dry biomass production of rice grown in soil subject to low-level contamination from multiple pollutants; conversely, dry biomass production was enhanced under conditions of elevated CO2in soils with high-level contamination from multiple pollutants. Cu concentrations of the five indica rice grains decreased by 4.75%—24.49% in low-level multi-contaminated soils but incr2eased by 6.6%—40.37% in high-level multi-contaminated soils with elevated CO2concentrations. Total Cu uptake in rice decreased at both contamination levels under elevated CO2concentrations. Similarly, Cd concentrations and total Cd uptake of the San Xian-you (974) grain declined significantly at both levels of contamination, with decreases in Cd content of 43.44%, 57.95%, and 47.01%, 60.56%, respectively. While Cd concentrations and total Cd uptake of the four rice varieties all increased, the range of increase was between 25.42%—103.07% and 12.62%—20.05%, respectively. The total uptake of Cd and Cu of the four rice varieties was higher in high-level multi-contaminated soils under elevated and ambient CO2treatments, when compared to soils subject to a low level of contamination. There were significantly different effects on concentrations of Fe, Zn, Ca, and Mn in the five indica rice varieties of elevated CO2concentrations. Zn concentrations of the San Xian-you (974) grain increased significantly in both low-level and high-level multi-contaminated soils with elevated CO2concentrations. Similarly, Mn concentrations of San Xiang-you (974) and Jinyou- 463 increased significantly at both contamination levels under elevated CO2conditions. Cd concentrations in the Jinyou- 463 grain exceeded food hygienic standards (Cd < 0.2 mg/kg) under both elevated and ambient CO2treatments, at both levels of contamination. Cd concentrations of Sanxiangyou- 974 also exceeded food hygienic standards under ambient CO2levels. At both contamination levels, the target hazard quotient (THQ) for Cd of Jinyou- 463 and Sanxiangyou (974) exceeded 1, indicating that the consumption of both rice varieties would lead to high potential human health risks.

elevated CO2; contaminated soil; Cd; indica rice; target hazard quotient

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41071217)

2013- 11- 25;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201311252808

*通訊作者Corresponding author.E-mail: forestman1218@163.com

王瀟, 謝麗坤, 武慧斌.銅鎘污染土壤上CO2濃度升高對秈稻稻米品質(zhì)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5728- 5737.

Wang X, Xie L K, Wu H B.Effects of elevated CO2on indica rice quality in soils combined with Cu and Cd heavy metal.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5728- 5737.